同步异步FIFO相关问题_写时钟域wq2

1.首先了解一下什么是控制交互信号？

     答：控制交互信号用于作为控制指示信号，比如当某个电路模块有数据输入端口data，但是电路不可能每个时钟周期都对端口输入的数据做处理，那一般上一级电路会同时给出一个指示信号，比如in_valid，用于表示当前端口data输入的数据是有效的，电路需要对其进行采集或做运算处理。同样的对于电路模块输出数据时，也需要给出类似的信号，表明当前输出端口的数据是否有效，例如o_valid信号等。还有就是比如像FIFO，RAM的读写使能信号，用于控制FIFO，RAM是否需要正常进行工作；读写控制信号用于指示是读还是写操作行为。以及总线的一系列控制信号等，CPU的指令等等，都可以说是控制信号。常用于作为控制模块产生控制信号的就是状态机。总结一下，就是没有控制信号只有运算电路，电路就是块板砖，我行我素，无任何意义，当我们设计电路模块的时候，往往最先需要搞明白的就是本电路模块的交互控制接口的时序。

2.同步和异步FIFO的设计和验证

FIFO：FIFO 是一种先进先出的数据缓存器，一般用在两边读写带宽不一致，或者位宽不一样的地方。

使用场景：数据的缓冲、时钟域的隔离（跨时钟域多bit数据的同步）、用于不同宽度的数据接口达到数据宽度匹配的目的。

FIFO的模块：双端口的RAM（用来存储数据）、读/写地址产生模块、读/写地址同步模块。

空满地址是根据读地址和写地址的比较产生的，而读写地址位于不同的时钟域，所以需要同步电路进行同步；复位时，空有效，满无效，此时只能写数据，禁止读数据，在写满的时候，满有效，空无效，此时只能读数据，禁止写数据。

a.FIFO的信号：

w:写时钟域一方的信号

r:读时钟域一方的信号

wclk: 写时钟

wrst_n: 写复位

rclk: 读时钟

rrst_n: 读复位

winc(wen): 外部输入的写使能信号

rinc(ren): 外部输入的读使能信号

wdata: 要写进的数据，即要写进FIFO里面存储的数据

rdata: 读数据，从FIFO里面读出来的数据

wfull: 写满的状态信号

rempty: 读空的状态信号

wclken: RAM的允许写信号，在这个信号有效的情况下，才可以往进写数据

rclken: RAM的允许读信号，在这个信号有效的情况下，才可以读的出数据

waddr: RAM的写地址

raddr: RAM的读地址

wptr: 要同步到写时钟的读指针

rptr: 要同步到读时钟的写指针

wq2_rptr: 读地址rptr同步到写时钟域的写地址

rq2_wqtr: 写地址wptr同步到读时钟域的读地址

syn_r2w: 读同步到写触发器链中间信号

syn_w2r: 写同步到读触发器链中间信号

b.FIFO的常见参数：

FIFO的宽度：FIFO一次读写操作的数据位

FIFO的深度：如果宽度为N，FIFO可以存储的N位数据的个数

满标志：FIFO 已满或将要满时由 FIFO 的状态电路送出的一个信号，以阻止 FIFO 的写操作继续向FIFO 中写数据而造成溢出（overflow）

空标志:  FIFO 已空或将要空时由 FIFO 的状态电路送出的一个信号，以阻止 FIFO 的读操作继续从 FIFO 中读出数据而造成无效数据的读出（underflow）

写指针：总是指向下一个将要被写入的单元，在复位时，指向第一个单元

读指针：总是指向当前要读出的数据，在复位时，指向第一个单元

c.FIFO的空满检测：

当读写指针相等时，FIFO为空(读空)，此种情况可能发生在复位操作时，或者当读指针读出最后一个字后追上了写指针。当读写指针再次相等时，表明FIFO为满（写满），这种情况发生在当写指针转了一圈，折回来又追上了读指针。

d.同步FIFO的空满检测方法：

利用计数器，用计数器来指示当前FIFO中的数据个数。当FIFO读和写使能同时有效时，count不加也不减，此时表示FIFO在同时进行读写操作。如果写使能有效并且full=0,则count+1，表示写操作且FIFO未满的时候，FIFO中的数据增加了1。如果读使能有效且 empty=0，则 count-1，表示FIFO未满时候在进行读操作，FIFO 中的数据个数减少了1。

当count=0时，此时FIFO为空，需要设置empty的值1，如果count的值等于深度的值，表明此时FIFO已满，需要设置full的值为1。

e.同步FIFO的设计思路：思路1：利用计数器来判断空满

假如FIFO的深度为8，我们设计一个计数器，用该计数器来指示当前FIFO中的数据个数。复位的时候，count =0；如果读使能和写使能同时有效的时候，count不加也不减，表示同时对FIFO进行读写操作的时候，FIFO中的数据个数不变；如果写使能有效且非满的时候，则 count+1，表示进行写操作且FIFO未满时候，FIFO中的数据个数增加了1；如果读使能有效且非空的时候，则count-1; 表示读操作且FIFO 未满时候，FIFO 中的数据个数减少了 1；需要注意，如果 count=0 的时候，表示FIFO为空，需要设置empty=1;如果count=8 的时候，表示 FIFO现在已经满，需要设置 full=1。 

f.思路2：利用拓展地址位的方式判断空满

假如FIFO的深度为8，23=8即原始的地址为3比特，这时我们就可以定义两个4比特的地址(一个读地址，一个写地址)，并且利用拓展的地址来判断空满。

我们来考虑几种情况，假如FIFO的宽度为3，拓宽的读写地址为4比特，此时往里边写了8个数据而且没有往出读，则写地址为1000，读地址为0000，此时FIFO已满，写地址与读地址最高位相同，低三位相反；第二种情况，假如写了8个数据，并且读了8个数据·，此时读写地址都为1000，要产生空信号，随后我们又继续写数据，当写了7个数据的时候，写地址为1111，若再写1个数据·，此时的写地址为0000，而读地址为1000，已经写满，可以看到，写地址与读地址最高位相同，低三位相反。所以我们就可以把地址拓宽一位，并根据最高位相反，其余位相等的方法来判断空满。比如一个宽度为3的FIFO此时写地址为0110，读地址为1110，可以判断此时已满，具体来分析可能是这个样子的：先写了8个数据，并且随后读了8个数据·，又继续写了8个数据，这次只读了6个，等于又空出来了6个位置，那就可以继续写6个数据，若没有读出，此时可以看出已经写满。补充一下，若读和写的地址相同，说明此时的信号为空。

补充：

reg [7:0] RAM [15:0]; //RAM的深度为16，位宽为8位；

RAM[wp[3:0]] <= iData;

oData_reg <= RAM[rp[3:0]]; //在进行寻址操作；

g.异步FIFO的空满检测方法：

异步FIFO的检测方法与同步FIFO利用拓展位判断空满的方法相同，但是需要注意，异步FIFO的读写时钟不同，判断空满属于跨时钟域的问题，这时我们就需要用格雷码来做空满判断。为什么二进制码不适合做空满判断呢，因为二进制的读写指针在增减时，经常多位发生突变，比如四位地址1111会在下一个时刻变成0000，而在实际的电路中，这个变化状态要持续很长一段时间，1111会经历四个状态转变到0000，比如1111-1101-1100-0100-0000，由于写时钟与读时钟不同步，所以异步的写时钟可能会在某个不稳定的状态采样，这样就会得到错误上午指针，进而做出错误的状态判断，导致系统异常，而且由于多位同时突变，根据概率论的知识我们可以知道，发生错误的概率很大。为了避免这个问题的发生，我们选用格雷码，格雷码在状态跳变时每次只有一位发生变化，这样即使在中间状态进行采样，结果也不外乎两种，递增前的原指针和递增后的新指针，在采样时如果采样到递增后的新指针，那么和我们的预期是一致的，如果采样到递增前的指针，我们来分析一下，假如现在采样读指针，可能把已经读出判断为没有读出，那么最坏的情况就是把不满判断成了满，使得原先被允许的写操作被禁止，但是这并不会对逻辑产生影响，只是带来了写操作的延时。另外一种情况，假如现在采样写指针，可能把已经写入判断为没有写入，那么最坏的情况就是把不空判断成了空，使得原先被允许的读操作被禁止，但是这也并不会对逻辑产生影响，只是带来了读操作的延时。

异步FIFO的模块：

除了RAM模块，读写控制模块之外，异步FIFO还有二进制转格雷码模块和两级同步模块共五大模块。

注意：

异步判断空满时使用的是格雷码，若为空状态时，每一位都相同，若为满状态时，应是高两位相反，其余位相同。

最后附上老师常说的一句话：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行

转自公众号：于博士Jacky